DE10063165A1 - Process gas used for laser welding low alloy steels and/or galvanized steels contains oxygen, helium and nitrogen - Google Patents

Process gas used for laser welding low alloy steels and/or galvanized steels contains oxygen, helium and nitrogen

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Abstract

Process gas contains up to 30 vol.% oxygen, helium and nitrogen. An Independent claim is also included for a laser welding process comprising guiding a focused laser beam with the process gas stream onto a workpiece to be processed. Preferred Features: The process gas contains not more than 85, preferably 5-50 vol.% helium and further contains up to 40 vol.% carbon dioxide and up to 40 vol.% argon.

Description

Die Erfindung betrifft ein Prozeßgas zum Laserschweißen mit einem auf ein zu schweißendes Werkstück fokussierten Laserstrahl. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Laserschweißen, wobei ein fokussierter Laserstrahl auf eine zu bear­ beitende Werkstückoberfläche geführt wird und ein inertgashaltiger Prozessgasstrom gegen die Werkstückoberfläche geleitet wird, bei dem das Prozessgas eingesetzt wird.The invention relates to a process gas for laser welding with one to one welding workpiece focused laser beam. The invention further relates to a Method for laser welding, wherein a focused laser beam is to be machining workpiece surface and an inert gas-containing process gas stream is directed against the workpiece surface where the process gas is used.

Die Eigenschaften der Laserstrahlung, insbesondere die Intensität und gute Fokussier­ barkeit, haben dazu geführt, dass Laser heute in vielen Gebieten der Materialbearbei­ tung zum Einsatz kommen. Die Laserbearbeitungsanlagen sind an sich bekannt. In der Regel weisen sie einen Laserbearbeitungskopf, gegebenenfalls mit einer zum Laser­ strahl koaxial angeordneten Düse auf. Oftmals werden Laserbearbeitungsanlagen in Verbindung mit einer CNC-Steuerung eingesetzt.The properties of laser radiation, especially the intensity and good focus Ability, have led to lasers in many areas of material processing today tion are used. The laser processing systems are known per se. In the As a rule, they have a laser processing head, possibly with a laser jet coaxially arranged nozzle. Laser processing systems are often used in Connection with a CNC control used.

Unter einem fokussierten Laserstrahl wird im Rahmen der Erfindung ein im wesent­ lichen auf die Werkstückoberfläche fokussierter Laserstrahl verstanden. Außer bei der überwiegend eingesetzten Methode mit auf die Werkstückoberfläche fokussierter Laserstrahlung kann die Erfindung auch bei der selten benutzten Variante mit nicht exakt auf die Werkstückoberfläche fokussierter Strahlung angewandt werden.Within the scope of the invention, a focused laser beam essentially becomes a Understand laser beam focused on the workpiece surface. Except for the predominantly used method with a focus on the workpiece surface The invention cannot use laser radiation even in the rarely used variant radiation focused precisely on the workpiece surface can be applied.

Bei vielen Verfahren der Lasermaterialbearbeitung wird metallisches und/oder sonstiges Material auf Temperaturen erhitzt, bei denen eine Reaktion mit den einhüllenden Gasen stattfindet. In vielen Fällen werden daher technische Gase eingesetzt, um diese Materialbearbeitungsprozesse effektiver, schneller und/oder mit verbesserter Qualität durchführen zu können.In many processes of laser material processing, metallic and / or other material heated to temperatures at which a reaction with the enveloping gases takes place. In many cases, therefore, technical gases used to make these material processing processes more effective, faster and / or with to be able to perform improved quality.

Beim Laserschweißen erfüllen Prozessgase verschiedene Aufgaben. Die Kontrolle und Reduzierung des Plasmas ist bei hohen Laserleistungen zwingend. Dies ist beispiels­ weise aus der Veröffentlichung "Laser im Nebel", Dr. W. Danzer und Klaus Behler, Zeitschrift LASER, Ausgabe 1/87, Seiten 32 bis 36, bekannt. Andere Aufgaben wie der Schutz vor Oxidation, eine metallurgische Optimierung und/oder eine Maximierung der Geschwindigkeit und der Qualität (Spritzer, Poren, Nahtqualität) werden bislang vernachlässigt.Process gases perform various tasks in laser welding. The control and Reduction of the plasma is mandatory with high laser powers. This is an example wise from the publication "Laser in the Fog", Dr. W. Danzer and Klaus Behler, Magazine LASER, edition 1/87, pages 32 to 36, known. Other tasks like that Protection against oxidation, metallurgical optimization and / or maximization of  Speed and quality (splashes, pores, seam quality) are so far neglected.

Beim Laserschweißen ist es bekannt, inerte Schutzgase wie Helium oder Argon einzusetzen. Auch Stickstoff wird teilweise verwendet. Vereinzelt werden auch Beimengungen von Kohlendioxid, Sauerstoff oder Wasserstoff zu Argon oder Stickstoff gemischt.In laser welding, it is known to use inert shielding gases such as helium or argon use. Nitrogen is also partially used. Are also isolated Additions of carbon dioxide, oxygen or hydrogen to argon or nitrogen mixed.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein Prozessgas und ein Verfahren der eingangs genannten Art aufzuzeigen, welche ein verbessertes Laserschweißen er­ möglichen. Insbesondere sollten mit Hilfe des Prozessgases auch neben der Kontrolle und Reduzierung des Plasmas ein Schutz vor Oxidation, eine metallurgische Opti­ mierung und/oder eine Maximierung der Geschwindigkeit und der Qualität erreicht werden.The invention was therefore based on the object of a process gas and a method of to point out the type mentioned, which he an improved laser welding possible. In particular, the process gas should also be used in addition to the control and reducing the plasma protection against oxidation, a metallurgical opti achieved and / or maximized speed and quality become.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Prozessgas neben Helium und Stickstoff zumindest Sauerstoff mit einem Anteil bis zu 30 Vol.-% enthält.This object is achieved in that the process gas in addition Helium and nitrogen contains at least oxygen in a proportion up to 30 vol .-%.

Wesentlich ist für die Erfindung, dass das Prozessgas neben einem Inertgasanteil auch einen Aktivgasanteil aufweist.It is essential for the invention that the process gas in addition to an inert gas portion has an active gas content.

Gute Ergebnisse haben sich bei Prozessgasen mit 0,1 bis 20 Vol.-% Sauerstoff erge­ ben. Vorzugsweise enthält das Prozessgas zwischen 0,5 und 10 Vol.-% Sauerstoff. In Ausgestaltung der Erfindung enthält das Prozessgas weniger oder gleich 85 Vol.-% Helium. Vorteilhafterweise liegt der Anteil von Helium im Prozessgas zwischen 5 und 50 Vol.-%.Good results have been obtained with process gases with 0.1 to 20 vol .-% oxygen ben. The process gas preferably contains between 0.5 and 10% by volume of oxygen. In an embodiment of the invention, the process gas contains less than or equal to 85% by volume Helium. The proportion of helium in the process gas is advantageously between 5 and 50 vol%.

Es hat sich in Versuchen gezeigt, dass sogar bereits ein relativ niedriger Anteil an Helium in der Größenordnung von etwa 25 Vol.-% (z. B. ±10%) in der Regel für eine wirksame Plasmakontrolle ausreicht. Der genaue Prozentsatz für den Heliumanteil ist von verschiedenen Faktoren wie beispielsweise der Laserleistung, der Energiedichte, der Materialart, der Menge an verdampftem Material, der Schutzgasmenge, der Art der Gaszufuhr zum Schweißprozess etc. abhängig. Die Anpassung der Gaszusammen­ setzung vor dem Hintergrund dieser Einflußfaktoren stellt für den Fachmann keinerlei Schwierigkeit dar.Tests have shown that even a relatively low proportion of Helium on the order of about 25% by volume (e.g. ± 10%) usually for one effective plasma control is sufficient. The exact percentage for the helium portion is of various factors such as laser power, energy density, the type of material, the amount of evaporated material, the amount of protective gas, the type of Gas supply dependent on the welding process etc. The adjustment of the gas together  Setting against the background of these influencing factors does not constitute any problem for the person skilled in the art Difficulty.

Mit Vorteil kann das Prozessgas Kohlendioxid mit einem Anteil bis zu 40 Vol.-% enthal­ ten. In Weiterbildung der Erfindung enthält das Prozessgas zwischen 1 und 35 Vol.-% Kohlendioxid, vorzugsweise zwischen 5 und 30 Vol.-% Kohlendioxid, besonders bevor­ zugt zwischen 10 und 25 Vol.-% Kohlendioxid.The process gas can advantageously contain carbon dioxide in a proportion of up to 40% by volume In a further development of the invention, the process gas contains between 1 and 35% by volume. Carbon dioxide, preferably between 5 and 30 vol .-% carbon dioxide, especially before adds between 10 and 25 vol .-% carbon dioxide.

Versuche an verzinkten Blechen brachten sehr gute Ergebnisse mit einem Anteil von 10 bis 25 Vol.-% Kohlendioxid (z. B. 15 Vol.-% CO2). Der Kohlendioxidanteil führte zu wesentlich konstanteren Schweißergebnissen. Der Schweißprozess war wesentlich sicherer und gegen Verunreinigungen des Nahtbereichs unempfindlicher. Die Geschwindigkeit konnte teilweise merklich gesteigert werden.Experiments on galvanized sheets gave very good results with a proportion of 10 to 25% by volume of carbon dioxide (e.g. 15% by volume of CO 2 ). The carbon dioxide content led to much more constant welding results. The welding process was much safer and less sensitive to contamination of the seam area. The speed could be increased noticeably in some cases.

Es haben sich insbesondere Prozessgase
Process gases in particular

  • - aus einem ternären Gasgemisch mit den Komponenten Helium, Stickstoff und Sauerstoff,- From a ternary gas mixture with the components helium, nitrogen and Oxygen,
  • - aus einem quaternären Gasgemisch mit den Komponenten Helium, Stickstoff, Kohlendioxid und Sauerstoff- from a quaternary gas mixture with the components helium, nitrogen, Carbon dioxide and oxygen
  • - aus einem quaternären Gasgemisch mit den Komponenten Helium, Stickstoff, Argon und Sauerstoff oder- from a quaternary gas mixture with the components helium, nitrogen, Argon and oxygen or
  • - aus einem quinternären Gasgemisch mit den Komponenten Helium, Stickstoff, Argon, Kohlendioxid und Sauerstoff- from a quinternary gas mixture with the components helium, nitrogen, Argon, carbon dioxide and oxygen

bewährt.proven.

In Ausbildung der Erfindung, insbesondere der genannten genannten ternären, quaternären bzw. quinternären Gasgemische, eignen sich für das Laserschweißen Prozessgase, welche zwischen 5 und 50 Vol.-% Helium, 0 bis 40 Vol.-% Kohlendioxid, 0 bis 40 Vol.-% Sauerstoff, 0 bis 40 Vol.-% (insbesondere 0 bis 25 Vol.-%, vorzugs­ weise 0 bis 20 Vol.-%, besonders bevorzugt 0 bis 15 Vol.-%) Argon und restlich Stickstoff enthalten.In developing the invention, in particular the aforementioned ternaries, quaternary or quinternary gas mixtures are suitable for laser welding Process gases containing between 5 and 50 vol.% Helium, 0 to 40 vol.% Carbon dioxide, 0 to 40 vol .-% oxygen, 0 to 40 vol .-% (in particular 0 to 25 vol .-%, preferably as 0 to 20 vol .-%, particularly preferably 0 to 15 vol .-%) argon and the rest Contain nitrogen.

Helium dient dabei der Plasmaunterdrückung bzw. -kontrolle. Die Sauerstoffbeigabe kann am Schweißprozess mehrere bestimmte positive Effekte hervorrufen und zur Qualitätssteigerung beitragen. Kohlendioxid unterstützt den Schmelzfluß. Stickstoff wie auch Argon erhöhen die Abdeckung der Schweißzone. Stickstoff und Argon erfüllen auch zumindest teilweise die Aufgabe des Heliums und tragen daher als preis­ günstiger Ersatz des Inertgases Helium zur Wirtschaftlichkeit des Laserschweißens bei.Helium is used for plasma suppression or control. The addition of oxygen can produce several positive effects on the welding process and  Contribute to quality improvement. Carbon dioxide supports the melt flow. Nitrogen like Argon also increases the coverage of the welding zone. Meet nitrogen and argon also at least partially the task of helium and therefore contribute as a price Favorable replacement of the inert gas helium for the economy of laser welding at.

Die Erfindung kann im Zusammenhang mit allen Arten von Lasern zur Anwendung kommen. Vor allem eignet sie sich für den Einsatz bei der Laserbearbeitung mit Nd-YAG-Laser, Dioden-Laser und CO2-Laser.The invention can be used in connection with all types of lasers. Above all, it is suitable for use in laser processing with Nd-YAG lasers, diode lasers and CO 2 lasers.

Mit dem erfindungsgemäßen Prozessgas können insbesondere mit Vorteil niedrig­ legierte Stähle und beschichtete, insbesondere verzinkte Stähle geschweißt werden.With the process gas according to the invention can in particular advantageously be low alloyed steels and coated, especially galvanized steels are welded.

Claims (10)

1. Prozessgas zum Laserschweißen mit einem auf ein zu schweißendes Werkstück fokussierten Laserstrahl, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas neben Helium und Stickstoff zumindest Sauerstoff mit einem Anteil bis zu 30 Vol.-% enthält.1. Process gas for laser welding with a laser beam focused on a workpiece to be welded, characterized in that the process gas contains at least oxygen in a proportion of up to 30% by volume in addition to helium and nitrogen. 2. Prozessgas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas weniger oder gleich 85 Vol.-% Helium enthält.2. Process gas according to claim 1, characterized in that the process gas contains less than or equal to 85 vol .-% helium. 3. Prozessgas nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas zwischen 5 und 50 Vol.-% Helium enthält.3. Process gas according to claim 2, characterized in that the process gas contains between 5 and 50 vol .-% helium. 4. Prozessgas nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas Kohlendioxid mit einem Anteil bis zu 40 Vol.-% enthält.4. Process gas according to one of claims 1 to 3, characterized in that the Process gas contains carbon dioxide with a share of up to 40 vol .-%. 5. Prozessgas nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas zwischen 1 und 35 Vol.-% Kohlendioxid, vorzugsweise zwischen 5 und 30 Vol.-% Kohlendioxid enthält.5. Process gas according to one of claims 1 to 4, characterized in that the Process gas between 1 and 35 vol .-% carbon dioxide, preferably between 5 and contains 30% by volume of carbon dioxide. 6. Prozessgas nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas zwischen 0,1 und 20 Vol.-% Sauerstoff, vorzugsweise zwischen 0,5 und 10 Vol.-% Sauerstoff enthält.6. Process gas according to one of claims 1 to 5, characterized in that the Process gas between 0.1 and 20 vol .-% oxygen, preferably between 0.5 and contains 10% by volume of oxygen. 7. Prozessgas nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas aus einem
ternären Gasgemisch mit den Komponenten Helium, Stickstoff und Sauerstoff,
quaternären Gasgemisch mit den Komponenten Helium, Stickstoff, Kohlen­ dioxid und Sauerstoff
quaternären Gasgemisch mit den Komponenten Helium, Stickstoff, Argon und Sauerstoff oder
quinternären Gasgemisch mit den Komponenten Helium, Stickstoff, Argon, Kohlendioxid und Sauerstoff
besteht. 7. Process gas according to one of claims 1 to 6, characterized in that the process gas from one
ternary gas mixture with the components helium, nitrogen and oxygen,
quaternary gas mixture with the components helium, nitrogen, carbon dioxide and oxygen
quaternary gas mixture with the components helium, nitrogen, argon and oxygen or
quinternary gas mixture with the components helium, nitrogen, argon, carbon dioxide and oxygen
consists. 8. Prozessgas nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und insbesondere nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas zwischen 5 und 50 Vol.-% Helium, 0 bis 40 Vol.-% Kohlendioxid, 0 bis 40 Vol.-% Sauerstoff, 0 bis 40 Vol.-% Argon und restlich Stickstoff enthält.8. Process gas according to one of claims 1 to 6 and in particular according to claim 7, characterized in that the process gas between 5 and 50 vol .-% Helium, 0 to 40 vol.% Carbon dioxide, 0 to 40 vol.% Oxygen, 0 to 40 vol.% Contains argon and residual nitrogen. 9. Verfahren zum Laserschweißen, wobei ein fokussierter Laserstrahl auf eine zu be­ arbeitende Werkstückoberfläche geführt wird und ein inertgashaltiger Prozessgas­ strom gegen die Werkstückoberfläche geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Prozessgas nach einem der Ansprüche 1 bis 8 verwendet wird.9. Method for laser welding, wherein a focused laser beam to be on working workpiece surface and an inert gas-containing process gas is directed against the workpiece surface, characterized in that that a process gas according to one of claims 1 to 8 is used. 10. Verwendung eines Prozessgases nach einem der Ansprüche 1 bis 8 für das Laserschweißen niedriglegierter Stähle und/oder beschichteter, insbesondere verzinkter Stähle.10. Use of a process gas according to one of claims 1 to 8 for the Laser welding of low-alloy steels and / or coated, in particular galvanized steels.
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